植物乳桿菌的抑菌性能及其影響因素研究進展

王鴻蕉，蔡昀潔，岳明祥，俞佳，劉祥*

（1.天津市食品安全檢測技術研究院，天津 300308；2.天津中醫藥大學，天津 301608）

植物乳桿菌是一種同型發酵的革蘭氏陽性乳酸菌，厭氧或兼性厭氧，最適生長溫度為30℃～35℃，最適pH值為6.5左右，菌株為直或彎的桿狀[1]。植物乳桿菌分布廣泛，尤其是在各種傳統發酵食品（如泡菜、乳制品和發酵肉制品等）中普遍存在。同時，植物乳桿菌是一種典型的有益菌，在其代謝過程中，能夠產生有機酸、細菌素和過氧化氫等天然抑菌物質[2]，還有研究表明，植物乳桿菌在發酵過程中能產生胞外多糖[3]和葉酸[4]等有益物質，這些物質對人體健康及發酵生產都有很大作用。為了在食品保鮮、拮抗致病菌感染、調節慢性代謝性疾病[5]等方面對植物乳桿菌的抑菌功能加以運用，針對如何增強植物乳桿菌抑菌能力的研究也越來越多。因此，本文主要對植物乳桿菌的抑菌活性及其影響因素進行闡述，為進一步增強植物乳桿菌的抑菌能力研究和應用提供參考。

1 植物乳桿菌的抑菌活性研究

植物乳桿菌同其他乳酸菌一樣，具有較強的抑菌功能，其抑菌活性的大小主要取決于植物乳桿菌菌種類型和被抑制的微生物類別。李雪飛等[6]從芒果中篩選了一株性能優良的植物乳桿菌FMNP01，經試驗表明，該菌株具有廣譜抗菌能力，對常見致病菌如副溶血性弧菌（Vibrio parahaemolyticus）等有一定的抑制作用。此外，還有大量研究從不同來源的樣品中篩選出了具有抑菌性能的植物乳桿菌菌種，并對其抑菌活性進行了探究，具體見表1。

表1 不同植物乳桿菌的抑菌活性Table 1 Antibacterial activities of Lactobacillus plantarum

另外，張歡等[19]在對從哈爾濱風干紅腸中篩選出的5株乳酸菌和1株木糖葡萄球菌（Staphylococcus xylosus）進行抑菌試驗中發現，其中一株植物乳桿菌對產氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）自身生長和芽孢的萌發、生長的抑制效果最佳。除了對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性細菌有較強的抑制作用外，植物乳桿菌對真菌也有一定的抑制效果。王應東等[20]發現，植物乳桿菌TK9和IMAU80134對青霉（Penicillium）和曲霉（Aspergillus）生長都有不同程度的抑制作用。張文羿等[21]在篩選抗真菌的植物乳桿菌時發現，大部分的植物乳桿菌對黃曲霉（Aspergillus flavus）、串珠鐮刀菌（Fusarium moniliforme）、芽枝狀枝孢（Cladosporium cladosporioides）、產黃青霉（Penicillium chrysogenum）、擴展青霉（Penicillium expansum）都有較強的抑制作用，但對黑曲霉（Aspergillus niger）的作用效果卻不明顯。

2 植物乳桿菌的抑菌機制

乳酸菌在生長過程中可產生有機酸、細菌素、短鏈脂肪酸、過氧化氫等物質抑制細菌的生長[22]，作為一種乳酸菌，植物乳桿菌在代謝過程中可以產生有機酸、細菌素、類細菌素和其他如過氧化氫、脂肪酸等抑菌物質，抑制有害微生物的生長[23]。目前，對植物乳桿菌的研究主要集中在其代謝物質的抑菌作用及機制上。

2.1 有機酸抑菌作用

研究發現，植物乳桿菌的抑菌能力與其代謝過程中產生的有機酸類有關[24]。因生存環境中的pH值對微生物的生命活動有至關重要的作用，代謝過程中產生的有機酸會造成pH值下降，進而影響部分不耐酸微生物的生長以達到抑菌的目的。還有研究表明，有機酸能夠破壞菌體的細胞膜結構，影響細胞膜的穩定性，造成菌體的生長代謝異常以起到抑菌的作用[25]。植物乳桿菌具有較強的產酸能力，也具有良好的耐酸能力，能夠通過發酵碳水化合物產生大量有機酸如乳酸、乙酸和丙酸等。Mao等[26]研究發現，植物乳桿菌DY-6具有較強的抑菌作用，其主要抗菌物質就是乳酸、丙酸和辛酸等有機酸。此外，苯基乳酸是近年來發現的一種優良的天然抑菌物，也可由植物乳桿菌代謝產生[27]。有研究從植物乳桿菌ZJ316上清液中獲得苯基乳酸，純度高達98.14%，提取量為108.87 mg/L[28]。

2.2 細菌素抑菌作用

細菌素是由基因組中含細菌素基因的細菌產生的具有抗菌功能的多肽或蛋白質[29]。有試驗初步確定，細菌素的抑菌機制是膜孔道滲漏機制，對致病菌生物膜的形成有抑制作用，而抗生素主要作用于菌體細胞壁，對生物膜的形成沒有抑制作用，生物膜的存在又會降低菌體的抗生素敏感性，增強菌體耐藥性[30]。因此，細菌素不僅安全性高，其抑菌效果也優于抗生素。大量研究證實，植物乳桿菌含有產細菌素的相關基因，可產生抑菌活性強、無抗藥性的植物乳桿菌素，且大多數植物乳桿菌素屬于Ⅰ類或Ⅱ類細菌素[31]。常見的由基因座plnW和plnEF編碼的植物乳桿菌素plnW和plnEF就分別屬于Ⅰ類或Ⅱ類細菌素[32]。雖然不同的植物乳桿菌菌株所攜帶的產細菌素相關基因有所不同，但目前經過全基因組測序的植物乳桿菌都含有編碼Ⅱb類細菌素的相關基因簇[33]。劉樹昕等[13]分離出的一株對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都有良好抑制作用的植物乳桿菌，所含有的基因PlnE/F/J/K也是編碼Ⅱb類細菌素的結構基因。此外，有研究顯示，植物乳桿菌所產生的細菌素對于革蘭氏陽性菌的抑制作用顯著高于革蘭氏陰性菌，這可能與抑菌途徑有關。對于革蘭氏陽性菌，細菌素主要是通過破壞細胞壁和細胞膜，使細胞內容物流出或干擾細胞壁的形成而抑制細胞生長；對于革蘭氏陰性菌，其主要是破壞細胞膜或干擾外膜的正常生理功能[34]而對其生長產生抑制作用。

2.3 植物乳桿菌產過氧化氫的研究

有研究顯示，部分植物乳桿菌可代謝產生過氧化氫。過氧化氫是一種強氧化劑，可迅速透過細胞壁進入細胞而導致細菌死亡。但植物乳桿菌對過氧化氫有較強的耐受力，為了克服過氧化氫的危害，植物乳桿菌會產生對氧化應激的適應性反應[35]。因此，過氧化氫也常作為植物乳桿菌的抑菌物質進行研究，有研究發現，對化膿性鏈球菌抑制作用最強的植物乳桿菌的主要抑菌物質是有機酸和過氧化氫，且過氧化氫的抑菌作用強于有機酸[12]。具有優良拮抗沙門菌的植物乳桿菌也同時具有產細菌素和過氧化氫等抑菌物質的能力[36]。

2.4 其他抑菌物質的研究

乳酸菌的抗菌功能與其代謝產物有較大聯系，除多數乳酸菌都可產生的有機酸、細菌素和過氧化氫外，植物乳桿菌在代謝過程中還能產生雙乙酰[16]、脂肪酸（如辛酸和癸酸）以及一些醇類和醛類[37]等抑菌物質，這些物質是通過改變菌體細胞膜的通透性或流動性達到抑菌的效果。

3 植物乳桿菌抑菌性能的影響因素

植物乳桿菌細菌素的產生與菌種所含細菌素相關基因以及本身的特性有關，也與菌株生長或發酵的環境有關。其代謝過程中所產生的有機酸及其他抑菌物質也與生長環境有著極大的關系。有大量的研究通過探究影響植物乳桿菌抑菌性能的因素來優化植物乳桿菌的抑菌功能，其中包括培養基組成、誘導物、培養環境等。

3.1 培養基成分的影響

植物乳桿菌生長過程中所必需的營養成分包括碳源、氮源、微量元素等。一旦所需的營養成分或其濃度改變，植物乳桿菌的代謝產物及其產量就有可能發生變化。曾維偉等[38]為提高植物乳桿菌的抑菌活性，對培養基中的碳源、氮源和鹽離子的種類進行了探究。結果表明，將葡萄糖作為碳源的培養基所產生的抑菌效果優于乳糖；玉米漿、酵母提取物、酵母膏、大豆蛋白胨和麥芽浸粉作為氮源都是很好的選擇；在鹽離子的研究中發現，相較于磷酸二氫鉀、磷酸氫二胺、檸檬酸鈣等，乙酸鈉和檸檬酸氫二銨能對植物乳桿菌的抑菌能力產生最大的促進作用。此外，隨著人們對低聚糖的關注度越來越高，低聚糖也常常被當作碳源的優化選項進行研究。如低聚半乳糖[39]、低聚果糖[40]等都被試驗證明對植物乳桿菌的抑菌活性有促進作用。這可能與低聚糖可不同程度地促進植物乳桿菌相關功能基因的表達有關[41]。

3.2 誘導物質的影響

細菌素產量除與培養基成分有關外，還受某些誘導調控因素的影響，如氨基酸誘導、信號分子及最小初始接種濃度等[42]。趙樂等[43]研究發現，賴氨酸可正向誘導細菌素的合成，對細菌素的生產有重要意義。而且賴氨酸雖然可顯著影響細菌素的合成，但對細菌生長影響較小，熒光定量聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）測定結果表明，賴氨酸可調控細菌素合成相關基因plnEF、plnD、plNC8HK的表達。此外，一些信號分子也可以對細菌的基因進行調控。有研究發現，AI-2作為群體感應系統中的一種通用信號分子，可促進植物乳桿菌細菌素的合成，并能夠顯著上調細菌素結構基因的表達[44]。此外，還有研究表明，植物乳桿菌通過與其它乳酸菌共培養也可以誘導產生細菌素或提高細菌素產量[45]，或者直接對植物乳桿菌產細菌素相關基因進行誘導[46]。

3.3 其他因素的影響

除優化培養條件和添加外源誘導物外，脅迫影響、異源表達[47]等也都是較常用的提高細菌素合成的方法。在細菌生長代謝過程中，細菌素的合成經常會受到不同環境因素如高低溫脅迫、酸堿脅迫以及鹽脅迫等的影響。有研究表明，適當的環境脅迫對植物乳桿菌的抑菌能力有一定的促進作用，如低濃度或適宜濃度的NaCl脅迫會促進植物乳桿菌細菌素的合成，而NaCl濃度過高則會對細菌素的合成產生抑制作用[48]。

4 植物乳桿菌抑菌性能的應用

植物乳桿菌因能通過營養競爭、產生安全高效的抑菌物質來抑制腐敗菌和致病菌的生長，在食品發酵、食品防腐保鮮方面表現出極大的應用潛力。有研究發現[49]，以植物乳桿菌作為臘肉的發酵劑可顯著減少雜菌的污染，提高產品的食用安全性，改善產品的風味，具有較大的應用價值。對于食品保鮮應用方面的研究，大部分試驗都以植物乳桿菌的發酵上清液或代謝產物作為研究對象。馮印等[8]將牛肉浸泡于植物乳桿菌的發酵液中以探究植物乳桿菌的保鮮效果，結果表明，植物乳桿菌具有較好的保鮮抑菌能力，是一種具有開發潛力的生物防腐劑益生菌。崔天琦等[10]發現，在魚丸中添加植物乳桿菌細菌素粗提物可顯著抑制產品中芽孢桿菌的生長，延長產品保質期。呂欣然[50]還發現，植物乳桿菌素DLP1作為控制假單胞菌的水產品生物防腐劑具有潛在的應用價值。此外，還有研究將生物防腐劑和傳統化學防腐劑聯合使用，以探究其應用效果，陳瑞龍[51]的研究表明，細菌素JL-A65與納他霉素復配添加到番茄汁中，可更好地抑制細菌、酵母和霉菌的生長，可顯著增強提高防腐保鮮的效果。

除了在食品工業領域的應用外，植物乳桿菌還作為微生物飼料添加劑應用于畜牧業中以調節動物腸道菌群結構，提高腸道內有益菌群數量，增強動物對疾病的抵抗力[52]。在醫療衛生領域，植物乳桿菌因其代謝產物具有安全性、不易產生抗藥性的特點，也顯示出了其在抗感染方面的應用價值。章昱[53]探究植物乳桿菌代謝產物聯合抗生素的抑菌效果發現，植物乳桿菌代謝產物不僅對臨床常見致病菌有抑菌作用，在聯合抗生素使用時還能顯示出增強抗生素活性的作用。

5 結論與展望

植物乳桿菌不僅因其優良的益生特性被廣泛應用于發酵食品中，而且因其具有產生抑菌物質的能力而在防腐保鮮領域有很大的應用潛力[54]。不過，目前對于抑菌物質的應用研究主要集中在細菌素上，但細菌素在防腐方面的應用還存在較多限制。只有細菌素Nisin已通過聯合國糧農組織及世界衛生組織（Food and Agriculture Organization/World Health Organization，FAO/WHO）食品法典委員會認證，被世界各地廣泛用作食物防腐劑[55],不同的植物乳桿菌菌株的抑菌能力還存在一定的差異。篩選出抑菌性能更強的菌株或提高抑菌物質產量的方法就成為使植物乳桿菌得到更廣泛應用的一個必經途徑。因此，需要對植物乳桿菌的抑菌性能及相關影響因素進行全面分析，在基因調控、功能性蛋白質表達及代謝方面的影響機制進行更深層面的研究，為植物乳桿菌在抑制致病菌及食品防腐保鮮方面的實際應用提供更加可靠的理論基礎。在不斷了解和掌握植物乳桿菌抑菌機制的基礎上，更有針對性地誘導富集抑菌元素，或通過基因改造等方式提高抑菌物質產量，促進植物乳桿菌更好地為綠色食品工業生產和人體健康做出更大貢獻。